MMC-HVDC直流侧故障特性仿真分析

由于拓扑和调制策略的不同,基于模块化多电平换流器的高压直流输电(MMC-HVDC)系统在直流侧发生故障时呈现出与两电平电压源型直流输电(VSC-HVDC)系统不同的故障特性。在PSCAD/EMTDC中搭建的仿真模型基础上,首先分析了MMC-HVDC直流侧线路单极接地、断线和两极短路的故障特性及其对系统运行的影响;然后针对半桥型子模块结构不能够双向阻断故障电流的问题,对子模块拓扑进行了重新设计,通过改变流经子模块电流方向,实现了桥臂电容双向充电,从而提供了续流二极管阻断电压;最后对直流侧两极短路故障进行了仿真分析,仿真结果表明,改进拓扑有效地抑制了直流侧故障电流,避免了交流断路器动作。

多直流送端电网闭锁动态过电压分析与计算方法

随着直流建设规模扩大,能源中心将逐渐形成多直流外送的送端电网。针对多直流送端闭锁过电压问题,该文结合奇异摄动理论阐释直流闭锁动态过电压的双时标机理,指出同步机对电压上升的关键作用。据此,该文提出分析闭锁期间过电压的交直流慢系统模型,同时给出直流在过电压上升阶段的等效静态负荷模型。闭锁期间主导电压动态上升的系统被证明是单调系统,结合单调系统理论,揭示过电压关于发电机相关动态参数的保序性质。最后提出动态上升过电压的快速解析解耦计算方法。通过宁夏多直流送端电网算例验证分析结果与计算方法的准确性。

D-PMSG经LCC-HVDC送出系统的次同步振荡特性分析

当直驱风机(direct-drive permanent magnet synchronous generator,D-PMSG)位于电网换相换流器高压直流输电(line-commutated-converter based high voltage direct current,LCC-HVDC)整流站近区时,系统的次同步振荡(subsynchronous oscillation,SSO)特性尚不清晰,相关研究有待开展。针对上述问题,基于D-PMSG经LCC-HVDC送出系统,利用模块化分块建模法建立小信号模型,用特征值与参与因子研究了系统SSO模式中D-PMSG与LCC-HVDC的参与情况,并用特征值分析了系统参数对SSO阻尼的影响。研究结果表明:存在D-PMSG与LCC-HVDC共同参与的SSO模式,且LCC-HVDC接入为系统SSO提供负阻尼;当D-PMSG输电线路阻抗、GSC控制器外环积分系数增大时,SSO模式阻尼减小;当GSC控制器外环比例系数、D-PMSG直流侧电容、D-PMSG的风速、LCC-HVDC定电流控制器的比例系数增大时,SSO模式阻尼增大。基于PSCAD/EMTDC时域仿真结果,验证理论分析的正确性。

海上风电柔性直流输电换流变差动保护的适应性分析

海上风电柔性直流输电系统的故障特性有别于常规电力系统,因此常规继电保护方案应用于海上风电柔性直流输电系统时可能存在适应性不足的风险。分析了海上风电柔性直流输电系统故障情形下,不对称的电气量引发的谐波分量以及故障穿越过程中的负序抑制、限流措施对差动保护的影响。推导了计及序分量的差动保护灵敏度计算式并进行适应性分析,指出故障情形下的奇次谐波容易对差动保护产生影响,负序抑制及限流措施也将导致差动保护灵敏度下降。结合实际示范工程的仿真系统进行了大量仿真计算,结果表明,常规差动保护方案的灵敏性、可靠性均存在下降的问题。

MMC-HVDC系统换流器桥臂短路故障暂态特性分析

桥臂短路故障是模块化多电平换流器型高压直流输电(MMC-HVDC)系统中的严重故障。在换流器不闭锁和闭锁这2种情况下对桥臂短路故障的暂态特性进行分析:针对换流器不闭锁的情况,对两端换流器的桥臂电气量暂态特性进行较为全面的阐述,重点分析了桥臂短路电流的组成;针对换流器的闭锁情况,建立了桥臂短路电流通路的电路模型,推导了桥臂短路电流的解析表达式,分析了系统交直流侧电压电流的动态变化过程并给出了桥臂短路故障的保护配置方案。基于PSCAD/EMTDC搭建双端MMC-HVDC仿真模型,仿真结果验证了理论分析的正确性和保护配置的有效性。对桥臂短路故障暂态特性进行分析可为MMCHVDC系统换流器保护区的保护配置方案提供参考。

考虑故障阀臂封锁条件下的VSC-HVDC换流器故障诊断算法

针对两电平柔性直流输电(VSC-HVDC)系统换流器内部常见的IGBT阀器件短路失效、桥臂直通、交流侧单相接地、交流侧两相短路、直流单极接地这5类贯穿故障,研究了换流器故障保护与诊断的协调配合方案,分析了保护闭锁条件下系统直流电压及交流电流的变化规律,据此提出了利用闭锁时刻的直流电压及闭锁后2个周期的三相交流电流作为特征信号进行换流器故障分类与定位的诊断方法,并确定了用于区分故障类型的电压、电流诊断阈值。对换流器严重贯穿故障进行仿真,利用PSCAD/EMTDC模型对所提出的诊断方法进行了验证,结果表明该方法不仅能可靠识别故障类型,还能准确定位故障位置,可用于故障阀臂闭锁条件下VSC-HVDC换流器的故障诊断。

HVDC阀水冷系统主循环回路电动阀隐患分析

文章以鹅城换流站阀水冷系统为例,通过分析主循环回路中电动阀的控制逻辑,指出其中存在导致直流系统闭锁的隐患,提出的应对措施避免因电动阀门故障导致直流系统闭锁,保证了换流站的安全稳定运行。

HVDC中直流线路的互感机理及其对控制系统影响的研究

针对特高压直流输电工程中两极直流线路间的影响,应用线路间互感原理,对高压直流输电线路电磁耦合机理和扰动特征进行了深入的研究。从理论上计算了宾金直流输电工程两直流线路间存在较大的电磁耦合分量。通过RTDS建立的仿真模型,研究了一极线路故障时去游离时间长短、两极线路间距大小和一极电流升降速率大小对另一运行极控制系统的影响,结合现场实际线路故障的波形对宾金直流控制策略提出了优化方案。通过RTDS仿真验证了优化后的控制策略能在一极发生线路故障时对非故障极的影响降低到最小,有效地防止了双极闭锁,对于电网的可靠安全运行具有重大意义。

基于Hopf分岔的电力系统HVDC稳定直流分段控制策略

为有效处理电力动态失稳现象,提出基于Hopf分岔的电力系统HVDC稳定直流分段控制策略。首先,基于IEEE 14电力测试系统并利用HVDC整流器进行电力3段系统构建,然后利用代数方程实现系统模型表示;其次,对3段系统利用Hopf雅可比分岔点理论进行灵敏度研究,并选用HVDC工作点进行线路电流参数调整,实现最佳参数的线性可控确定,获得电力系统直流分段的稳态控制效果;最后,实验对比结果显示,所提策略可得到最佳操作点,可实现Hopf分岔过程的阻尼振荡和稳定裕度提升,从而大幅提升系统的稳态控制效果。

VSC-HVDC控制保护系统的设计与实验研究

控制保护系统是整个柔性直流输电系统的核心。从工程应用角度开发一套VSC-HVDC的控制与保护系统,控制上采用系统级控制与换流器级控制相结合的两层结构,保护上以"分类、分层、分级"为体系设计柔性保护与驱动脉冲控制结合的复合型保护方案。建立一套背靠背柔性直流输电系统实验样机,在并网输电工况下完成实验样机的性能检验,结果表明:样机的控制保护系统达到了预期的设计目标和效果。

基于图卷积神经网络的直流送端系统暂态过电压评估

随着新能源接入电力系统并通过直流送出,送端系统的暂态过电压问题逐渐突出。因此,为快速准确估计送端系统在直流闭锁、换相失败等预想扰动场景下各直流近区节点暂态过电压严重度,提出一种基于图卷积神经网络(graph convolutional network,GCN)的直流送端系统暂态过电压评估模型。该模型以电网发生直流故障前的潮流状态参数与网络拓扑作为输入特征,可以同时预估电网多个关键节点(如风电场汇集节点)的暂态过电压严重度。利用含跨区直流异步互联的两区域系统进行算例分析,验证该模型可以适应多种网架拓扑结构、不同新能源发电占比等差异化电网运行方式,具有较强的泛化能力。同时,所提模型揭示了对过电压严重度影响最大的关键因素,具有一定的可解释性,可为暂态过电压的预防控制提供有效指导。

直流输电用大功率逆阻型IGCT器件关键技术研究

受限于大功率可关断器件的发展,高压直流输电用可控关断的电流源型换流器(current source converter,CSC)一直未取得实质性进展。该文首先介绍基于换流器级联的CSC拓扑方案,搭建250kV/750kW的直流输电仿真系统,提取逆阻型集成门极换流晶闸管(revere blocking integrated gate commutation thyristor,RB-IGCT)器件应用于直流输电系统所应满足的技术要求;其次,分析低通态压降、损耗优化和高du/dt和di/dt的RB-IGCT器件关键设计方法。最后,对研制的4500V/3000ARB-IGCT关键核心参数进行实验验证。研究结果表明,所研制的RB-IGCT器件可以满足CSC的要求,是构建CSC的可行路线。

具有直流故障自清除能力的改进MMC子模块

高压直流输电领域中,典型的半桥型模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)无法阻断直流侧故障电流,为此,提出一种具备直流故障自清除能力的改进子模块拓扑。分析其子模块的拓扑结构和运行状态;根据子模块闭锁后的特征,画出其系统故障等效电路图,阐明其故障阻断原理;在此原理基础上,为降低成本和损耗,提出改进子模块与半桥型子模块的混联拓扑。然后从耐压性与经济性两个方面,与其他经典的子模块作比较分析。最后在PSCAD/EMTDC中搭建双端21电平MMC直流系统,对改进的子模块阻断电流特性进行验证,仿真结果表明,所提改进子模块拓扑能够快速有效阻断直流侧故障电流。

风火打捆直流外送系统直流故障引发风机脱网的问题研究

随着风火打捆直流外送系统的出现及不断投运,为保证系统的安全稳定运行,需要对风电、火电、直流在无功电压方面的相互影响和作用机制开展深入研究。为此,首先分析了直流闭锁故障引发风机高压脱网的机制及应对措施,然后分析了直流换相失败引发风机高压脱网的机制及应对措施,最后探讨了风电与直流之间的相互制约关系及火电的支撑作用,采用规划的西北风火打捆直流外送系统算例进行了验证。结果表明,直流故障后的滤波器无功盈余加上风电场无功补偿电压效应是引起风机高压脱网的原因,需要对风电、火电、直流进行协调控制。研究结果可以为风火打捆直流外送系统稳定性的理论研究和工程实际提供参考依据。

大规模风火电送端系统直流闭锁紧急控制策略研究

在分析直流闭锁对送端系统电压特性影响的基础上,提出一种风火电和电容器协调的紧急控制和优化切机策略。该策略在保证系统稳定的基础上,通过优化整流站电容器的切除量和风火电切机量的分配,使恢复系统稳定所需的风火电总切机量最小。最后以西北某风火打捆直流外送系统为算例,验证所提协调控制策略的有效性与实用性。

用于安全稳定控制的高压直流极闭锁判据

交直流并联运行电网中直流极闭锁后引起的安全稳定问题十分突出,如何正确判别直流极闭锁是安全稳定控制系统研究中的重要课题。采用数值仿真方法分析了直流极闭锁对电力系统稳定的影响,指出稳定控制装置必须正确、快速地判出不同形式的直流极闭锁。通过研究直流极闭锁的电气量特征以及直流控制保护系统的动作行为,提出了可靠的直流极闭锁综合判据,并进行了详细的阐述。通过介绍中国南方交直流混联电网安全稳定控制系统核心部分——高肇直流输电安全稳定控制系统,进一步论述了研究直流极闭锁判据及直流极闭锁后稳定控制的重要性。

多馈入直流输电系统换相失败机制及特性

随着多直流接入受端交流系统的规模不断增大,运行人员对多回直流换相失败以及闭锁的关注度日益提升。文中建立了多馈入直流输电系统模型,从换相失败发生的本质出发,分析多种因素对换相失败发生概率的影响。从机制上研究换相失败对交流系统和直流系统的影响,并与直流闭锁对系统的影响进行对比分析。通过对多馈入直流输电系统的机电暂态仿真,验证由交流系统引起的多回直流换相失败与直流闭锁的差异。综合理论和仿真研究可知,在交流系统故障及时清除的情况下,多回直流换相失败并不会导致多回直流同时闭锁,不会对系统造成大的影响。而直流闭锁故障,在不采取控制措施的情况下,会造成系统功率不平衡,严重时导致系统失步,影响系统安全稳定运行。

适应安全稳定控制的双端柔性直流输电系统故障闭锁判据研究

大容量柔性直流故障闭锁后的功率突变将对电网的安全稳定运行造成重大影响。由于柔性直流控制保护系统一体化的工程现状,且控制保护相关技术参数并未对外公布,以基于鲁西柔性直流仿真系统搭配实际控制保护系统对故障下电气特征进行研究。提出适应安全稳定控制的柔性直流系统联接变阀侧单相接地、相间短路、相间接地、三相接地、直流线路正极接地、负极接地、极间短路及无故障跳闸的判据,并在RTDS仿真系统中进行了验证。结果表明:所提判据能准确识别双端柔性直流系统故障状态,具有较好的工程实用性。

基于MATLAB/Simulink的高压直流输电系统仿真研究

讨论MATLAB/Simulink环境下电力系统元件模型建立原理和电网网络方程求解方法,介绍其内集成电力系统工具的特点和功能。用这种方法对一个典型12脉冲桥高压直流(HVDC)输电系统交直流侧发生故障及清除过程的仿真计算结果表明,该方法能较准确地考察暂态过程中高压直流输电系统的动态特性。

采用逆阻型子模块的新型模块化多电平换流器

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)是高压直流输电系统领域中极具工程应用前景的电压源拓扑之一。在分析典型子模块拓扑特点的基础上,该文提出一种新型的逆阻型半桥子模块(reverse blocking half bridge sub-module,RB-HBSM)的MMC拓扑,用于解决传统MMC的故障穿越能力问题。开展了RB-HBSM及其构成的MMC拓扑的故障电流阻断机理及其主要功率开关器件的电气应力分析研究,提出了故障控制流程,最后通过仿真算例对所提出的子模块拓扑进行了验证。仿真结果表明,新型RB-HBSM-MMC拓扑在不改变原有控制策略与调制策略的情况下,能够迅速实现故障电流阻断效果,有助于进一步降低系统的复杂程度。